《光纤通信》_第2讲-光纤(1).ppt

2020/5/31，1，第二讲(1)，纤维，2020/5/31，2，主要内容，1。本讲座介绍光纤的结构和分类、光纤的导光原理以及光纤的传输特性。2.用光线法分析光导的原理。3.分析影响光纤传输性能的两个主要因素：损耗和色散。4.单模光纤和多模光纤。5.光缆及其制造。1.光是电磁波。可见光的波长范围为390 760纳米。大于760纳米的部分是红外光，小于390纳米的部分是紫外光。三种光纤被广泛使用：850纳米、1310纳米和1550纳米。2.光的折射、反射和全反射。因为光在不同物质中的传播速度不同，当光从一种物质发射到另一种物质时，折射和反射将在两种物质的界面上发生。此外，折射光的角度将随着入射光的角度而变化。当入射光的角度达到或超过某一角度时，折射光将消失，所有入射光将被反射回来，这是光的全反射。不同的物质对相同波长的光具有不同的折射角(即不同的物质对光具有不同的折射率)，相同的物质对不同波长的光具有不同的折射角。光纤通信是基于上述原理形成的。2020/5/31，4，表中给出了一些介质的折射率。光的折射，光的反射，2020/5/31，5，3。光的偏振光波属于横波，即光的电磁场振动方向垂直于传播方向。如果光波的振动方向总是相同的，但光波的振幅随相位而变化，这种光称为线偏振光(全偏振光)，如下图所示，“旋光现象”。普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光，如下图所示。在自然光传播的过程中，由于外界的影响，各振动方向的光强不同，一个振动方向的光强优于其他方向。这种光被称为部分偏振光，如下图所示。2020/5/31，6，光的偏振，2020/5/31，7，4。光的色散如图所示，当光通过棱镜或水雾时，会呈现出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的颜色光谱。这是因为棱镜材料(玻璃)或水对于不同波长(对应于不同颜色)的光具有不同的折射率n，从而导致不同的光传播速度和折射角度，并最终导致不同颜色的光在空间中扩散。波导管：微波或光波的传输装置。任何能够引导电磁场能量沿着平行于其轴线的路径流动，同时允许能量包含在其中或其表面的相邻区域中的结构。在介质中，具有给定折射率的材料层在两侧被具有较低折射率的材料层限制，从而将波限制在具有较高折射率的材料上。导波：一种方法，其中传输介质的分层限制了波能在导体(如光纤和波导)中传播。由于其独特的材料特性，其能量在材料表面之间或附近受到限制的波。它的传播方向实际上平行于材料边界。2020/5/31，9，导波的形成，A，C，B，波的形成必须建设性地干扰它们自己，否则波将破坏性地干扰它们自己并消失。波的相位不仅在传播时会改变，而且在从介质界面反射时也会改变。因此，当波径A-B-C等于2的整数倍时，产生总相移。模式：传输介质中电磁波的电磁场分布模式。以垂直于电磁波传播方向的平面上的特殊场型为特征。光纤中的传播模式由麦克斯韦方程和某些边界条件决定。混合模式：电磁波传播方向上的电场和磁场分量的传播模式。一般来说，它是用健康教育模式或健康教育模式来表达的。这种类型的模式通常被传输纤芯的外表面被折射率比纤芯低的玻璃外壳包围，以便将光保留在纤芯中。外面是一个薄的塑料外套来保护外套。光纤通常是成束的，外护套保护纤芯。核心通常是一个双层同心圆筒，由应时玻璃制成，横截面积小。它易碎，容易破碎，因此需要一个额外的保护层。其结构如下图所示：2020/5/31，12，第一段光纤的结构和分类(续)，光纤的结构，2020/5/31，13，第一段光纤的结构和分类(续)，光纤的结构，2020/5/31，14，第一段光纤的结构和分类(续)，1。结构：1.1纤芯和包层：1.2外鞘纤芯包层初级包层和次级包层2a2b，根据光纤的折射率分布(1)阶跃型光纤的折射率SIF也称为突变阶跃型光纤，在纤芯和包层的结合处呈现阶跃型突变，纤芯的折射率n1和包层的折射率n2为均匀常数。(2)梯度光纤GIF又称梯度梯度梯度光纤芯折射率n1按照一定的规律(如平方律、双割线等)逐渐减小。)随着半径的增加。包层折射率n2在纤芯和包层的交界处，纤芯的折射率不是均匀常数。2020/5/31，16，(a)阶梯分布；(b)三角形分布；(3)高斯分布，2020/5/31，17，2.2根据光纤传输光波电磁场模式(1)单模光纤在给定的光波长下只能传输一种模式的光纤。纤芯直径应该是工作波长的34倍。(2)多模光纤MM:可以在某一光波长传播一种以上的模式。模式的数量取决于纤芯直径、数值孔径和波长。2.3根据制造光纤所用的材料，有：应时系列、塑料包层应时纤芯、多组分玻璃纤维和全塑料光纤。目前，通信的实际应用大多是应时光纤，后面提到的光纤主要是指应时光纤。实用光纤有三种基本类型：1)阶跃折射率光纤(SIF) 2)渐变折射率光纤(GIF) 3)单模光纤(SMF)，2020/5/31，18，(a)突变多模光纤；(b)渐变折射率多模光纤；(c)单模光纤，2020/5/31，19，(a)双包层；(b)三角形核心；椭圆形核心。下图显示了几种对特殊单模光纤最有用的典型特殊单模光纤的横截面结构和折射率分布。这些纤维的特性如下。双包层光纤色散平坦光纤(DFF)色散位移光纤(DSF)三角芯光纤椭圆芯光纤双折射光纤或保偏光纤。2020/5/31，20，飞利浦GOLDSERIES光纤，M62794，2020/5/31，21，24K镀金连接器，2020/5/31，22，带两个3.5平方的圆形适配器，2020/5/31，23，2020/5/31，24，3。阶跃折射率光纤的光线光学分析分析光纤传输原理的常用方法：几何光学的麦克斯韦波动方程法和几何光学分析问题的两个出发点：从几何光学的两个角度分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布，分析数值孔径时延方法：突变多模光纤渐变多模光纤、2020/5/31，25，阶跃折射率光纤的X射线光学分析， N0N2 2N1 1 0根据斯内尔定律： N0Sin 0=N1Sin 0 ，即：2=900，1=c，n1sinc=n2sin900，第一种情况3360设置在包层界面进行全反射。 Sinc=n2/n1，c是包层界面的全反射临界角，0是入射临界角、2020/5/31，26，阶跃折射率光纤的光线光学分析(续)，n0n2 2n1 1 0第二种情况下，光以大于0的角度进入光纤端面，它产生的界面入射角将小于c，包层中光的折射角小于900，光将进入包层阶跃折射率光纤的X射线光学分析(续)，N0N 22 N11 0在第三种情况下，条光线以小于0的角度进入光纤端面，导致界面入射阶跃光纤的x射线光学分析(续)。可见入射角 0是一个非常重要的参数。它与光纤折射率的关系是： sin0=n1sin(900c)=(n12-n22)1/2n1(21/2是纤芯和包层之间的相对折射率差： (n12-n22)/2n12 n1-N2)/n1、2020/5/31，29，阶跃折射率光纤的X射线光学分析(续)。N0N2 2N1 1 0将光纤的数值孔径定义为入射角0的正弦值，即：越大，NA越大，光纤的聚光能力越强，可以获得更高的耦合效率。阶梯指数光纤的x射线光学分析(续)2020/5/31，30，临界光锥和数值孔径，2020/5/31，31，na代表光纤接收和传输光的能力，NA(或c)越大，光纤接收光的能力越强，光源到光纤的耦合效率越高。对于无损光纤，c内的入射光可以在光纤中传输。NA越大，纤芯与光能的结合越强，光纤的抗弯性能越好。然而，NA越大，光纤传输后产生的信号失真越大，从而限制了信息传输容量。因此，应根据实际应用情况选择合适的NA。2020/5/31，32，阶跃指数光纤时间延迟，n0n1ly1oLx现在让我们观察光在光纤中的传播时间。在图中，入射角为的光线在长度为L(ox)的光纤中传输，传播距离为l(oy)。在不大的情况下，传播时间，即时间延迟，为：=(n1l)/c=(n1ls EC1)/c (n1l)/c *(112/2)，其中c是真空中的光速。2020/5/31，33，阶跃指数光纤时间延迟，由上述公式获得的最大入射角(=0)和最小入射角(=0)的光线之间的时间延迟差约为：=(n1l)/c *(112/2)-(n1l)/c=l02/(2n1c)ln a2/(2n1c );(n1l)/c，该时间延迟差在时域中产生脉冲展宽或信号失真。由此可见，突变多模光纤的信号失真是由穿过光纤的不同入射角的光线的不同时间延迟引起的。2020/5/31，34，步进指数光纤时间延迟，例：设置光纤NA=0.20，n1=1.5，L=1km，请计算此时产生的时间延迟即脉冲展宽。答：ln a2/(2n1c)；(n1l)/c脉冲展宽为：=44 ns，2020/5/31，35，阶跃指数光纤的光线光学分析(续)。倾斜光线在光纤中的传输更加复杂。从光线在光端面上的投影可以看出，传输轨迹被限制在一定的范围内，并与一个称为焦散平面的圆柱面相切，其半径为a。斜光线在芯-包层界面和焦散平面之间传输。以不同角度入射的斜光线具有不同的焦散。当=时，焦散表面与芯-包层界面重合，虚线变为螺旋线；当a .当=0时，斜射线变成子午线。斜射线的数值孔径不同于子午线，略大于子午线。经线通常用于定义光纤的数值孔径。a .2020/5/31，36，渐变折射率光纤的光线光学分析，渐变折射率多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数，对于某一光纤，其振幅取决于入射角0，其周期=2a/(2)1/2，取决于光纤的结构参数(a，)，并且与入射角0无关。这表明对应于不同入射角的光线将最终会聚在一点，尽管它们具有不同的路径。这种现象被称为自聚焦效应。2020/5/31，37，渐变折射率光纤的X射线光学分析，渐变折射率多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角对应的光线会聚在同一点，而且这些光线的时间延迟也近似相等。这是因为光的传播速度v(r)=c/n(r)(c是光的速度)，并且大入射角的光具有更长的距离，但是大部分距离远离中心轴，并且n(r)更小，传播速度更快，并且更长的距离被补偿。小入射角的光线情况正好相反。他们的旅程较短，但速度较慢。因此，ti，2020/5/31，38，渐变折射率光纤的光线光学分析，渐变折射率多模光纤中的光传播，2020/5/31，39，阶跃折射率光纤，o，N2，N1，r，b，a，纤芯，包层，纤芯直径：2a=503m包层直径：2b=1253m1.相对折射率差： (n1-N2)/n1纤芯和包层由相同的基础材料二氧化硅制成，然后分别掺杂不同的杂质，使n1略高于n2.2 .阶跃光纤中的光线类型：(1)子午光线：穿过光纤轴，截面投影为直线(2)斜光线：不穿过光纤轴。横截面投影是焦散平面，折射率分布图，2020/5/31，40，渐变折射率光纤，其纤芯折射率是离光纤轴距离的函数。随着离轴距离的增加，折射率逐渐降低。这一特性导致光倾向于保留在纤芯中并连续折射，从而迫使光保留在光纤中。纤芯直径：2a=503m包层直径：2b=1253m数值孔径NA(r):在渐变折射率光纤中，数值孔径是纤芯端面位置的函数。NA(r)=N (R) 2-N22只有当光线落在位置R的NA(r)内并形成全反射时，才能形成导波。为了理解渐变折射率光纤，我们可以假设，例如，纤芯折射率的变化是不均匀的，但是n(r)从轴的n1开始按照一定的规则在径向上减小，直到包层界面等于n2，如图所示。这种渐变的折射率分布使得核心中光线的连续偏转轨迹类似于正弦波振荡。从图中